CN109940475A - 一种机器人打磨去毛刺装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机器人打磨去毛刺装置及方法，涉及自动打磨去毛刺技术领域，根据力度传感器测量的沿z轴方向的实时力矩，获取打磨刀具和工件之间的实时接触角；根据实时反馈的接触角控制打磨刀具法相和切向的速度，实现沿未知轮廓工件的法相恒力控制；本发明还提出一种打磨刀具，打磨刀具的打磨区域两端设置有滚子轴承，通过该刀具能保证设定的接触力在去除所有毛刺的同时在一定范围内不会发生刀具和工件之间的过切现象；本发明能够在未知工件轮廓情况下，实现工件的去毛刺作业，通过实时力反馈控制使得机器人和工件之间保持稳定的接触力，本发明使用的方法简单有效，且容易实施，通过提出的刀具解决了接触力设定困难的问题。

Description

一种机器人打磨去毛刺装置及方法

技术领域

本发明涉及自动打磨去毛刺技术领域，尤其涉及一种机器人打磨去毛刺装置及方法。

背景技术

抛光打磨是提高压铸件表面质量最重要的一道工序。目前中小企业大部分仍然采用人工打磨的方式，对工人的身心健康损害极大，少部分采用工业机器人末端执行器夹持工件的打磨方式，但是此种方式只适用于中小型压铸件。现阶段机器人去毛刺作业以示教再现和和离线编程的方式为主，该方式的缺点是不能对工件的制造误差、装夹误差、定位误差进行轨迹调整，且示教过程耗费时间和人力，且无法解决未知环境中示教难度大情况下的机器人作业。这些问题不仅涉及机器人去毛刺领域还涉及机器人抛光、打磨等工况下，通过在机器人末端安装力控传感器，通过控制算法保持工件与机器人之间接触力的恒定。接触力需要根据毛刺的大小进行设定，过大的接触力会导致工件过切，接触力较小会导致较大毛刺去除不干净；其次在恒力追踪过程中，机器人的速度方向也是至关重要的，方向错误也会导致对未知轮廓的追踪失败。

发明内容

本发明针对复杂压铸件的打磨问题提供一种机器人打磨去毛刺装置及方法，采用由工业机器人末端执行器夹持打磨工具的打磨方式，提供一种机电一体化的自动去毛刺方法，该方法基于实时的接触力反馈控制，是机器人末端和工件之间保持稳定的接触力，且设计了一种去毛刺工具，根据该工具可以设定接触力在保证可以去除最大毛刺的基础上在一定范围内能使工件不发生过切的现象。本发明简单有效，在不需要知道平面工件轮廓的情况下，通过恒力控制结合设计的去毛刺工具能实现对未知平面轮廓工件的去毛刺作业，解决了现有技术存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提出一种机器人打磨去毛刺装置，该装置包括工业机器人、力度传感器和打磨刀具；所述的工业机器人末端执行器夹持打磨刀具，且末端设置有力度传感器；所述的打磨刀具的打磨区域两端设置有滚子轴承。

优选地，所述的滚子轴承的外径和打磨刀具的外径大小相同。

本发明还提出一种机器人打磨去毛刺方法，包括以下步骤：

根据力度传感器测量的沿z轴方向的实时力矩，获取打磨刀具和工件之间的实时接触角；

根据实时反馈的接触角控制打磨刀具法相和切向的速度，实现沿未知轮廓工件的法相恒力控制。

优选地，所述的根据力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，获取打磨刀具和工件之间的实时接触角步骤中，具体包括：

根据力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的偏差、力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，获取打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩；

根据所获实时真实力矩获得铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；

根据打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力获得实时打磨刀具和工件之间的接触角。

优选地，所述的根据力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的偏差、力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，获取打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩，具体如下：

力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩与打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩之间的关系如下：

τ′_z＝τ_z+F_y·Δx-F_x·Δy (1)

其中，τ′_z表示力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，τ_z表示打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩，F_y表示沿传感器坐标系y轴的切削力分量；Δx表示力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的x轴偏差，F_x表示沿传感器坐标系x轴的切削力分量；Δy表示力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的y轴偏差。

优选地，所述的根据所获实时真实力矩获得铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力，具体如下：

其中，F_t表示铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；τ_z表示打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩；r表示刀具半径。

优选地，所述的根据打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力获得实时打磨刀具和工件之间的接触角，具体如下：

其中，θ表示实时打磨刀具和工件之间的接触角；F_x表示沿传感器坐标系x轴的切削力分量；F_y表示沿传感器坐标系y轴的切削力分量；F_t表示铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；F_tot表示总切削力。

优选地，该方法还包括：

根据打磨刀具和毛刺接触时力度传感器反馈沿z轴方向的力矩变化，预测毛刺出现位置。

优选地，所述的根据打磨刀具和毛刺接触时力度传感器反馈沿z轴方向的力矩变化，预测毛刺出现位置，具体如下：

当力度传感器反馈沿z轴方向的力矩增加时，则判定毛刺出现，减小刀具的切线速度；

当力度传感器反馈沿z轴方向的力矩减小时，则判定毛刺已经去除，则提高减小刀具的切线速度。

相比现有技术，本发明能够在未知工件轮廓情况下，实现工件的去毛刺作业，通过实时力反馈控制使得机器人和工件之间保持稳定的接触力，并提出一种去毛刺刀具，通过该刀具能保证设定的接触力在去除所有毛刺的同时在一定范围内不会发生刀具和工件之间的过切现象；本发明使用的方法简单有效，且容易实施，通过提出的刀具解决了接触力设定困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例中打磨刀具结构示意图；

图2为本发明一种实施例中毛边在工件不同位置是刀具的放置示意图，其中，图(a)为中间位置示意图；图(b)为边缘位置示意图；

图3为本发明一种实施例中刀具的角速度方向和进给方向示意图，其中，图(a)为刀具的角速度方向和刀具的进给方向相同示意图；图(b)为刀具的角速度方向和刀具的进给方向不同示意图；

图4为本发明一种实施例中机器人打磨去毛刺方法流程图；

图5为本发明一种实施例中步骤S10具体流程图；

图6为本发明一种实施例中机器人对一平面未知轮廓工件进行轮廓追踪的示意图；

图7为本发明一种实施例中当力传感器坐标系和工具坐标系不重合时力传感器的测力示意图；

图8为本发明一种实施例中步骤S30流程图；

图9为本发明一种实施例中步骤S30内部具体流程图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

标号说明：

1-打磨刀具；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

加工过程中，要保证去毛刺刀具追踪未知轮廓工件，则接触力一定不为零，而且毛刺大小也决定了接触力的大小，过大的接触力又会使工件发生过切现象。为了解决这些问题，本发明提出本发明提出一种机器人打磨去毛刺装置；

本发明一种优选实施例中，该装置包括工业机器人、力度传感器和打磨刀具；所述的工业机器人末端执行器夹持打磨刀具，且末端设置有力度传感器；如图1所示，所述的打磨刀具的打磨区域两端设置有滚子轴承1，本发明实施例中，所述的滚子轴承1的外径和打磨刀具的外径大小相同，在切削过程中滚子轴承1要求不能和毛刺接触；

关于打磨刀具和毛刺的相对位置，依据毛刺位置的不同分为两种情况如图2中图(a)和图(b)所示，①当毛刺位于工件中部位置，这时需要刀具两端的滚子轴承和工件表面接触，且不能和毛刺发生干涉②当毛刺位于工件的边缘时，这时需要保证刀具一端滚子轴承和工件表面接触，一端滚子轴承悬空，且与工件表面接触轴承不得与毛刺发生干涉现象。

关于刀具的旋转方向，如图3中图(a)所示，在整个去毛刺过程中需要保证刀具的角速度方向和刀具的进给方向相同，在这个过程中接触力的反作用力(沿F_n的反向)会让刀具一直紧贴工件表面，当刀具的角速度方向和刀具的进给方向不同时，这个反作用力会使得刀具原理工件表面，导致切削失败，如图图3中图(b)所示。

通过力反馈实现恒力位置轮廓曲面的去毛刺作业。根据切削原理，切削力的大小取决于去除材料的大小，在去毛刺工况下为毛刺的大小。然而设定的恒力过大时会导致刀具过切工件的现象，机器人是无法知道毛刺已经去除干净，只会根据设定的恒力来决定走刀的深度，但是不同的工件毛刺的大小是不可预估的，这就带来了一个恒力设定的难题：过大的恒力会让工件发生过切，过小的恒力会让刀具脱离工件且毛刺去除不彻底。通过这款刀具可以解决恒力设定的难题，虽然毛刺的大小和是不可预估的，但是其会在一定的范围内浮动，可以根据经验设定一个较大的恒力值，保证在这个范围之内的毛刺能够被完全去除，即使这个恒力设定值超出了某些工件所需的最大接触力，但是因为在刀具两端安装了滚子轴承，这时刀具和工件不会发生过切现象，刀具会沿着工件滚动，当机器人路径中没有毛刺时接触力仅为滚子轴承和工件之间的挤压力，多余的接触力和轴承与工件之间的反作用力相抵。

本发明还提出一种机器人打磨去毛刺方法；

本发明一种优选实施例中，如图4所示，包括以下步骤：

S10、根据力度传感器测量的沿z轴方向的实时力矩，获取打磨刀具和工件之间的实时接触角；

S20、根据实时反馈的接触角控制打磨刀具法相和切向的速度，实现沿未知轮廓工件的法相恒力控制。

本发明一种优选实施例中，步骤S10中，如图5所示，具体包括：

S101、根据力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的偏差、力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，获取打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩；

如图6所示为机器人对一平面未知轮廓工件进行轮廓追踪的示意图，机器人末端装有力度传感器，机器人的基坐标系为(0)，力传感器的坐标系为(T)；

如图7所示力传感器坐标系的中心O′和刀具坐标系的中心点O存在位置上的偏差，偏差值是(Δx，Δy)，则此时力传感器测量的z轴方向的力矩τ′_z和工具在铣削过程中z方向的力矩τ_z是不相等的，他们之间存在以下所示的关系：

τ′_z＝τ_z+F_y·Δx-F_x·Δy (1)

其中，τ′_z表示力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，τ_z表示打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩，F_y表示沿传感器坐标系y轴的切削力分量；Δx表示力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的x轴偏差，F_x表示沿传感器坐标系x轴的切削力分量；Δy表示力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的y轴偏差；

S102、根据所获实时真实力矩获得铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；

具体如下：

其中，F_t表示铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；τ_z表示打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩；r表示刀具半径。

根据公式(1)和公式(2)获得：

其中，Δx和Δy需要通过刀具中心的标定来求解，具体过程如下：

让刀具在工件表面空转滚动，这时候力传感检测到的τ′_z是由于F_y和F_x因传感器坐标系和工具坐标系之间的偏距产生的，这时τ_z＝0，则存在以下关系式：

τ′_z＝F_y·Δx-F_x·Δy (5)

测定N组数据，存在以下线性关系：

将上式表示为矩阵形式：

上式中，

且

X＝[Δx Δy]^T (9)

用矩阵表示矩阵的逆矩阵，根据公式可求得X；

根据求得的X和公式(4)可求得F_t；

且通过图7可知θ＝θ^*-Δθ，θ为实际接触角，θ^*为显式接触角，Δθ为真实接触角和显式接触角之间的差值，依据三角函数关系可知：

其中，F_n表示沿工件法相分力，F_t表示沿工件切线方向的铣削分力；

S103、根据打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力获得实时打磨刀具和工件之间的接触角；

具体如下：

其中，θ表示实时打磨刀具和工件之间的接触角；F_x表示沿传感器坐标系x轴的切削力分量；F_y表示沿传感器坐标系y轴的切削力分量；F_t表示铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；F_tot表示总切削力，

本发明一种优选实施例中，如图8所示，还包括一种毛刺预测方法：

S30、根据打磨刀具和毛刺接触时力度传感器反馈沿z轴方向的力矩变化，预测毛刺出现位置；

当机器人刀具行进过程中无毛刺时，力传感器反馈的z轴扭矩τ_z是一个稳定的值；如图9所示，具体预测方法如下：

S301、当力度传感器反馈沿z轴方向的力矩τ_z突然增加时，则判定毛刺出现，通过τ_z反馈值得突然增大这一信号可以以此来调节机器人刀具的切线速度，让切线速度适当减小；

S302、当力度传感器反馈沿z轴方向的力矩τ_z减小时，则判定毛刺已经去除，根据这一信号适当增加机器人的切线速度，从而提高整个去毛刺过程的效率，从而能够减少整个去毛刺的作业时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种机器人打磨去毛刺装置，该装置包括工业机器人、力度传感器和打磨刀具；所述的工业机器人末端执行器夹持打磨刀具，且末端设置有力度传感器；其特征在于，所述的打磨刀具的打磨区域两端设置有滚子轴承。

2.根据权利要求1所述的机器人打磨去毛刺装置，其特征在于，所述的滚子轴承的外径和打磨刀具的外径大小相同。

3.一种机器人打磨去毛刺方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据力度传感器检测的沿z轴方向的实时力矩，获取打磨刀具和工件之间的实时接触角；

根据实时反馈的接触角控制打磨刀具法相和切向的速度，实现沿未知轮廓工件的法相恒力控制。

4.根据权利要求3所述的机器人打磨去毛刺方法，其特征在于，所述的根据力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，获取打磨刀具和工件之间的实时接触角步骤中，具体包括：

根据力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的偏差、力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，获取打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩；

根据所获实时真实力矩获得铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；

根据打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力获得实时打磨刀具和工件之间的接触角。

5.根据权利要求4所述的机器人打磨去毛刺方法，其特征在于，所述的根据力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的偏差、力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，获取打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩，具体如下：

力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩与打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩之间的关系如下：

τ′_z＝τ_z+F_y·Δx-F_x·Δ_y (1)

其中，τ′_z表示力度传感器实时测量的沿z轴方向的力矩，τ_z表示打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩，F_y表示沿传感器坐标系y轴的切削力分量；Δx表示力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的x轴偏差，F_x表示沿传感器坐标系x轴的切削力分量；Δy表示力度传感器坐标系中心与打磨刀具坐标系中心之间的y轴偏差。

6.根据权利要求4所述的机器人打磨去毛刺方法，其特征在于，所述的根据所获实时真实力矩获得铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力，具体如下：

其中，F_t表示铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；τ_z表示打磨刀具沿z轴方向的实时真实力矩；r表示刀具半径。

7.根据权利要求4所述的机器人打磨去毛刺方法，其特征在于，所述的根据打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力获得实时打磨刀具和工件之间的接触角，具体如下：

其中，θ表示实时打磨刀具和工件之间的接触角；F_x表示沿传感器坐标系x轴的切削力分量；F_y表示沿传感器坐标系y轴的切削力分量；F_t表示铣削过程中打磨刀具沿工件切向方向的实时铣削力；F_tot表示总切削力。

8.根据权利要求3所述的机器人打磨去毛刺方法，其特征在于，该方法还包括：

根据打磨刀具和毛刺接触时力度传感器反馈沿z轴方向的力矩变化，预测毛刺出现位置。

9.根据权利要求8所述的机器人打磨去毛刺方法，其特征在于，所述的根据打磨刀具和毛刺接触时力度传感器反馈沿z轴方向的力矩变化，预测毛刺出现位置，具体如下：

当力度传感器反馈沿z轴方向的力矩增加时，则判定毛刺出现，减小刀具的切线速度；

当力度传感器反馈沿z轴方向的力矩减小时，则判定毛刺已经去除，则提高减小刀具的切线速度。